大概念统摄下设计型任务驱动的高三复习单元教学实践与思考

【摘要】本文针对元素化合物复习中存在的知识点零散和考查综合能力的特点，提出大概念统摄下设计型任务驱动的教学模式，并结合教学实例呈现在设计型任务驱动下，工业流程题与实验题的复习课教学过程与学生设计成果，指出设计型任务的灵活评价与个性发展两大特点。

【关键词】大概念 设计型任务 元素化合物 高三复习 单元教学

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2023）05-0089-05

化学是一门研究化学反应中物质变化的学科。化学反应背后是纷繁复杂的元素化合物的性质，其中蕴含的变化观念是学科核心素养的重要构成，同时也是化学高考的重要内容。当前元素化合物在高三复习中存在的主要困难有两个：一是物质性质知识点较为细碎，尽管可以在价类图的框架下进行复习，但仍存在性质记忆点较多、学生理解不够深刻的问题；二是高考题中直接考查元素化合物知识的工业流程题与实验题，对考生情境分析、知识迁移等高阶能力要求较高，学生耗费了有限的考试时间作答最后却往往得分不高。笔者认为，教师应以大概念统摄下设计型任务作为高考复习备考中的学科关键能力，其中设计能力为表、核心素养为里，以此开展针对“元素化合物”模块的复习。

一、大概念对元素化合物单元复习的启示

元素化合物的知识体系可以用价类图进行低阶的整合，但在面对真实情境的挑战时，借助大概念实现高阶迁移是很有必要的。因此，笔者在高三复习中特别重视利用设计型任务引导学生进行复习。设计型任务是让学生在真实情境中分析、统整信息，进行活动设计，借助设计成果的评价促进素养生成的一类任务。良好的设计型任务在教学中应具备以下特点：

一是以大概念作为统领。设计作为显性活动，其隐性思维是关于设计的大概念。以工业流程的设计为例，学生在开展设计活动时使用的高阶思维是设计工业流程的大概念：化工流程设计时需要考虑物质成分、反应原理的合理性、成本控制、废料处理、物质循环、产物提纯等因素。

二是以真实情境为背景。设计作为高阶思维活动，在结构不良的问题情境与综合性强的学习活动中发生才能体现其价值。因此，设计型任务应在真实情境下，结合一定的超越已有知识的新信息来充分调动学生整合思维。比如以铁制备绿矾，就过于简单；但改为用含有油污与铁、铜氧化物的废铁屑制备绿矾，并补充铜萃取剂的信息，则更合适。

三是以知识整合为目标。复习课中的设计型任務应当超越某个具体的知识板块，以统整学生所有的化学知识为能力目标。以绿矾的制备为例，原料除铜，可从原理、计算、迁移到其他金属阳离子等方向进行复习延伸，并拓展到铜离子萃取的情境，重新设计流程，这才是知识的整合。

二、设计型任务驱动的教学模式与实践

（一）设计型任务驱动的教学模式

教师以大概念作为教学内容分析的产物，提炼出与设计相关的化学大概念；然后以教学目标和设计成果为教学设计的起点，结合课程标准的要求，谋划本单元的设计型任务，以设计成果作为教学目标，将抽象的大概念与核心素养转化为可外显、可达成、可掌握、可评价的教学目标；再将这些目标以类似高考题信息的形式巧妙地包装在真实情境中，用问题线索串联起来，使知识点之间的联系更加紧密，也在知识与情境之间建立起更强的联系，让学生知道所学知识能解决什么问题，更好地促进学生知识与能力的迁移和应用。最终学生对大概念的认识深度，可以非常直观地通过对设计成果的评价来诊断，教师据此调整教学，实现每名学生的个性发展（设计型任务驱动教学模式如图1所示）。

（二）设计型任务驱动的工业流程题复习案例——制备绿矾

师：前两节课，我们已经复习了与钠、镁、铝元素有关的工业流程。结合之前的笔记，请大家思考：粗盐提纯、侯氏制碱法、海水提镁、铝土矿制铝等分别体现了哪些工业流程中的化学思想？

生：粗盐提纯中要注意药品的加入先后顺序，不要引入新的杂质；侯氏制碱法要尝试循环利用物质，节约资源降低成本；海水提镁中有两种“气体氛围”思想，即用氯化氢气体抑制氯化镁水解和用氢气冷却高温镁防氧化；铝土矿制铝的“酸路线”和“碱路线”体现了对二氧化硅的不同去除思路。

师：结合大家的总结，可以归纳出设计工业流程的一些注意事项：工业流程设计时需要综合考虑原料、杂质成分，以及反应原理合理性、成本控制、废料处理、物质循环、产物提纯等因素。这些注意事项，既是化工专家在应对实际化工生产需要时所总结出来的经验，也是高考工业流程题中重点考查的基本思想。

【设计意图】通过简单复习之前学习过的工业流程，引导学生总结出工业流程设计的一般思想。学生对已有的知识进行高度的总结概括，可以初步提炼出一些较为具象的小概念，再由教师提炼为更精准的大概念。这样的思维过程是为后续教学中学生有意识地运用大概念中的专家思维解决问题做好准备。

师：结合之前的工业流程与设计思想，我们可以设计制备绿矾的工业流程。请大家阅读关于绿矾的资料。

绿矾作为一种重要的化工产品，在工业上可以通过两种不同的原料制取。请看PPT上的信息。

【投影展示】以有油污的废铁屑（含有铁的氧化物、二氧化硅杂质）为原料，制备绿矾；以硫铁铜矿（含有铁、铜的硫化物和硅的氧化物）为原料，制备绿矾。

师：结合信息与铁元素的价类图，请你分析原料与杂质的成分，杂质的去除方法，反应过程中的价态变化。然后参考平时题目中工业流程的表达方式，设计两个制备绿矾的工业流程。

【设计意图】以设计型任务作为教学目标，需要在设计活动之前为学生搭建充分的认知脚手架，帮助学生降低情境的陌生感，有效提取信息。教师先让学生明确铁元素的价类图，然后分析原料与杂质、价态变化等；再让学生对照工业流程的表达模板（因为教学实践中会出现有些学生可能已经在脑海中想清楚了流程，可实际写出来的表现形式偏差较大的问题）。如此准备后，学生再开始对流程进行表达，充分展现隐性思维，课堂教学效果也会更好。

学生汇报设计成果：首先这个原料中含有油污、二氧化硅两种杂质，铁的氧化物价态应该注意包括二、三价。其次油污之前月考考过，可以用热的饱和碳酸钠除去；二氧化硅之前月考也考过，可以用酸浸的方法除去，但酸不能过量太多，避免后续药品的浪费。最后用铁还原三价铁离子，再重结晶，就可以获得绿矾了。

师：这位同学能够结合月考的考点来介绍自己设计的流程，说明他在分析月考题時花了很多工夫，值得大家学习！他设计的工业流程关注了核心元素的价态与药品用量问题，但是最后从溶液中获得绿矾晶体有问题。重结晶是将粗产品通过反复结晶获得更纯洁产品的过程。在这里我们主要先从硫酸亚铁溶液中制得硫酸亚铁晶体，用蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥的方法更加合适。但是因为硫酸亚铁的价态，我们需要注意什么？

生：需要注意亚铁被氧化的问题。

师：很好！我们还要注意结晶水合物常常在干燥上采取一些特定的做法，比如低温烘干甚至不干燥，这些条件的控制都会影响最后结晶水的量。我们再看看以硫铁矿为原料的设计。

学生汇报设计成果：硫化物通过煅烧可以除去硫，然后通过酸浸除去硅，铜可以用铁来置换除去，剩余的铁还可以循环。最后重结晶得到硫酸亚铁晶体。

师：你的流程很简明，老师想问你几个问题：煅烧时需要通入气体吗？如果需要，那通入什么气体比较合适？铁和铜的单质置换后混合在一起，怎么分离？最后重结晶能够得到绿矾吗？

生：煅烧可以用纯氧。铁铜固体确实不好分离。重结晶这里我犯了和上一位同学一样的错误。

师：煅烧用纯氧可以，用空气行不行？有何优缺点？

生：用空气成本更低，好像也不错。

师：好的，那我们怎么分离置换那一步的铁铜混合物呢？好像有点麻烦。请大家结合月考题的萃取剂信息：如果H2R萃取剂可以萃取铜离子，我们又该怎么重新设计这个流程？请以红色字体修改你的设计。

【设计意图】生生、师生互评，是通过学生先汇报自己设计的流程、其他同学补充评价和提出问题，然后教师总结、再提问改进的方式展开的。在评价时一定要保证充足的汇报时间，学生的汇报会体现出许多关于工业流程设计、考点的不成熟思考，此时就是教师以教促学的最佳时机。结合图4，可以看出学生通过铜离子萃取剂重构了铁铜分离与二氧化硫循环利用的流程，表现出极高的素养水平。同时，两名学生都在重结晶和蒸发结晶上犯了错误，针对这个问题，笔者设计了专题复习课“物质提纯”，全面扫清知识盲区，使备考更有针对性。

（三）设计型任务驱动的实验题复习案例——验证克劳斯法

师：前几节课我们复习了氯气、二氧化硫和氨气的制备，重点分析了三大气体制备实验中实验目的、实验原理、实验装置的对应关系。请大家结合之前的笔记思考：设计气体制备实验需要注意什么？

生：先要根据反应原理中的物质状态、反应条件来确定相应的装置，比如液体还是固体、加不加热等；再根据气体成分确定除杂方法；最后根据要求收集。

师：气体制备实验设计需要综合考虑实验目的、原理、装置等的互证关系，也要结合可操作性、条件控制、现象与结论分析等因素。在高考题中我们常会看到一些陌生物质的制备实验，因此结合题目信息分析实验就显得尤为重要。今天我们结合克劳斯法回收硫的有关资料，开展实验设计活动。

师：通过资料我们可以发现，克劳斯法最核心的一步反应就是硫化氢与二氧化硫反应生成硫单质，由此实现硫元素的再利用。其中硫化氢就是一个典型的信息型物质。请大家思考：硫化氢有什么性质？怎么制备并收集？想好后，请你设计一个实验，验证二氧化硫与硫化氢能发生反应生成硫。

【设计意图】通过提炼大概念，为学生做好设计制备实验的思维储备。克劳斯法是典型的基于硫元素价类图的信息，结合硫化氢在价类图中的位置预测其性质的一种方法，可以为学生分析陌生物质信息搭建认知阶梯。而在设计型任务驱动下，教师将单纯的预测性质能力包装在综合性强的设计型任务之内，通过学生的设计成果，可以有效地评价学生的价类二维观和对气体制备的认识深度。

学生汇报设计成果：可以用强酸制弱酸的原理制备硫化氢，所以我用了盐酸和硫化钠。这样制得的硫化氢中会含有氯化氢，因此我用饱和亚硫酸氢钠洗气。三颈烧瓶里发生反应，但是气气反应不完全，最后用氢氧化钠处理尾气。

师：好的，老师有几个问题。首先，制硫化氢还可以选择其他酸或盐吗？

生：酸可以考虑用硫酸，但是我不确定会不会发生氧化还原反应。盐也可以用硫氢化钠。

师：在考虑反应时这位同学确实想得比较周到，能够从类别、价态的角度思考，发现盐酸是一个更稳妥的选择。那请你再思考，硫化氢中的氯化氢气体应该怎么除去？用亚硫酸氢钠会引入什么气体？

生：不应该用亚硫酸氢钠，因为会有二氧化硫产生。我刚才把二氧化硫中的氯化氢除杂和硫化氢中的氯化氢弄混了。

师：是的。对H2A气体中含有氯化氢的情况，我们一般考虑用NaHA的溶液洗气除杂，这种思路常见于二氧化碳、二氧化硫和硫化氢。所以我们可以考虑用什么液体洗气？

生：饱和硫氢化钠。

师：很好！最后一个问题请大家共同思考：克劳斯法最大的特点是极高的硫回收率。利用我们的实验装置如何提高硫元素的回收率？

学生经过思考后没有想出方案，最后由教师讲解可以通过增加洗气瓶放入不反应液体后观察气泡的方法实现气体体积控制。

【设计意图】以克劳斯法作为问题情境，我们可以挖掘出几个层次的问题：发生什么反应，相关物质的性质，定量计算等。其中最能促进学生在变化观念上进阶的路径是从定性研究信息物质上升到定量控制硫的回收。因此，教师最后用“提高硫元素的回收率”来设问，让学生充分进入情境，紧扣实验目的来设计装置，真正加深了学生对实验目的、原理与装置互证关系的认识。

三、关于设计型任务教学实践的思考

（一）设计是一种高阶且灵活的评价活动

设计作为高阶能力的代表，综合展现了学生对化学学科知识与问题情境下解决问题的综合理解能力，是一种非常灵活的评价手段。相比于传统的纸笔测验—讲评—笔记—记忆—再强化的复习模式，设计活动的最大优势在于如下两点：一是思维的高阶整合与课堂趣味性。在完成设计型任务的过程中，学生需要从学科思维出发，综合考虑各项因素，尝试以专家思维去解决问题。这种高阶思维活动超越了简单的复述与记忆，能够真正促进学科核心素养的发展。二是便于查找认知错误。在枯燥的高三复习阶段，开展这样一节设计型任务驱动的课堂，让学生在整合知识与信息的过程中暴露出一些小错误，比如上图中出现的重结晶、洗气装置药品选择的错误，通过生生互评、师生互评，在放松紧张神经的同时发现一些基础性的认知错误，也不失为一种较好的复习手段。

（二）设计是一种促进学生个性发展的教学活动

设计属于高阶能力，我们在分析并设计教学情境时，应该根据学生的不同层次安排不同的教学阶梯，促进每名学生在课堂上的个性化发展。以克劳斯法为例，由于涉及硫元素的多次转化以及实验装置的实现，想要学生设计出非常全面的流程是比较困难的。结合学情，教师可以将情境分解为几个不同的台阶，同时将单元内容延长，以小专题复习促进整体单元认知水平的提高。将情境前学生的必备基础知识一步步进阶到情境中的问题，并最终由学生自己动手画实验装置图，这样的学习体验在高三复习阶段来说是独特而深刻的。比如克劳斯法有关的教学阶梯可以分解为如下几个任务线索（如图7所示）。

总之，设计型任务在教学中可以作为“教—学—评”一体化的重要纽带，加深学生的学科认知深度，强化学生的专家思维，促进学生的素养发展，是值得一线教师在高三复习中重视的一种教学模式。

参考文献

［1］单旭峰.高考化学学科关键能力的建构思路、基本内涵与考察实施路径［J］，课程·教材·教法，2022（6）.

［2］吴庆生.化学大概念单元教学的实践与研究［J］，化学教学，2021（8）.

作者简介：李晓（1987— ），广西南宁人，高级教师，主要研究方向为高中化学校本课程开发。

（责编 林 剑）